李玲 孔群景 張衛(wèi)川

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數(shù)字電能計量系統(tǒng)誤差多參量退化評估模型及方法

李玲1孔群景2張衛(wèi)川3

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本文提出了一種基于多參量退化模型的評估方法，對數(shù)字電能計量系統(tǒng)多參量退化模型，評估模型的求解方法以及基于多參量退化評估模型的具體方法進行了逐一分析與闡述，更加適用于對數(shù)字電能計量裝置誤差的評估。

數(shù)字電能計量系統(tǒng)；計量誤差；多參量退化

0 引言

作為智能化變電站建設(shè)過程中非常關(guān)鍵的構(gòu)成要素之一，數(shù)字電能計量系統(tǒng)的運行質(zhì)量將直接對智能化變電站建設(shè)運行水平產(chǎn)生重要影響。近年來，國內(nèi)外展開了大量有關(guān)數(shù)字電能計量系統(tǒng)的理論與實踐研究，對提高數(shù)字電能計量系統(tǒng)自身運行穩(wěn)定性以及可靠性水平起到了非常重要的作用，并推動了數(shù)字電能計量系統(tǒng)的工程化應(yīng)用。但現(xiàn)階段，大部分電能計量系統(tǒng)所采取的檢修模式仍然以定期檢定或計量誤差超限下的停電檢修模式為主，在一定程度上對供電系統(tǒng)運行可靠性產(chǎn)生了不良影響，還造成了運行維護成本的增加。針對這一問題，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域中需研究一套可適用于數(shù)字電能計量系統(tǒng)誤差評估的評估模型與方法，結(jié)合數(shù)字電能計量系統(tǒng)的多參量特征，對評估模型與方法進行優(yōu)化，以更好地為狀態(tài)檢修提供可靠依據(jù)與技術(shù)支持。

1 多參量退化模型

對于系統(tǒng)或具體設(shè)備而言，參量退化代表著該系統(tǒng)或設(shè)備性能降低。目前，電力系統(tǒng)中針對大部分輸變電設(shè)備已形成了較為成熟的狀態(tài)評估模型與方法，但在復(fù)雜設(shè)備或系統(tǒng)中的研究尚不夠深入。主要原因是此類系統(tǒng)設(shè)備中往往存在多個狀態(tài)參量，如：變壓器設(shè)備中存在絕緣電阻水平、介質(zhì)損耗水平等多個狀態(tài)參量；斷路器設(shè)備中存在的線圈電流、觸頭電磨損水平、開端行程等多個狀態(tài)參量。因此，在針對此類系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)進行評估時，必須對所有參量進行充分考量。既往研究中針對系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)參量的評估方法相對簡單，即定義某系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)參量構(gòu)成集合P表示為{P1，P2，......，Pn}，若存在“max|Pi|（i＝1，2，......，n）”且其值超過閾值，則提示該系統(tǒng)設(shè)備某方面性能出現(xiàn)缺陷，并對其正常運行產(chǎn)生不良影響。但這種形式簡單的評估模型在數(shù)字電能計量系統(tǒng)評估中并不適用，主要原因有二。第一，在數(shù)字電能計量系統(tǒng)當中，任意參量的退化并不會對數(shù)字電能計量系統(tǒng)整體運行產(chǎn)生實質(zhì)性影響；第二，數(shù)字電能計量系統(tǒng)中各個參量退化均具有一定的方向性，不同參量退化對數(shù)字電能計量系統(tǒng)計量誤差的影響并不一致，甚至可能相互抵消，進而對系統(tǒng)整體計量準確性無顯著影響。

針對上述分析，為更加準確地針對數(shù)字電能計量系統(tǒng)誤差進行多參量退化評估，必須建立起一套更為科學和有效的評估模型。結(jié)合現(xiàn)有理論成果來看，在數(shù)字電能計量系統(tǒng)的實際運行中，系統(tǒng)計量準確性會受到包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、斷流事件、失壓事件、頻率、諧波、負荷、電磁場異常、振動以及通信異常等多參數(shù)的影響。從簡化模型結(jié)構(gòu)上考量，以主要影響因素環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、電網(wǎng)頻率、諧波作為參量代表。分別用fpt、δpt、fct、以及δct代表環(huán)境溫度參量、環(huán)境濕度參量、電網(wǎng)頻率參量、以及諧波參量，則可構(gòu)建式（1）方程對數(shù)字電能計量系統(tǒng)多參量退化過程進行描述：

式中，Vtemp(t)為環(huán)境溫度隨時間變化函數(shù)；Vhum(t)為環(huán)境濕度隨時間變化函數(shù)；Vfrep(t)為電網(wǎng)頻率隨時間變化函數(shù)；Vharm(t)為諧波隨時間變化函數(shù)。

當同時滿足式（2）以及式（3）的情況下，可對方程組進行簡化：

經(jīng)簡化后將式（1）解定義為A，可將式（1）轉(zhuǎn)化為式（4）：

如上分析，式（4）是數(shù)字電能計量系統(tǒng)所適用的多參量退化評估方程，在該方程中，將ε定義為退化參量，將α定義為參量退化作用量，將A定義為作用量下退化參量所對應(yīng)退化網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)之上，可將該數(shù)字電能計量系統(tǒng)功率誤差作為評估模型約束條件，將ηp定義為平均功率誤差，則約束條件可如式（5）所示：

2 多參量退化網(wǎng)絡(luò)評估模型求解

在評估數(shù)字電能計量系統(tǒng)所對應(yīng)計量誤差時，需要解決的核心問題是如何根據(jù)所收集的計量系統(tǒng)歷史運行參數(shù)，在合理的數(shù)據(jù)處理方法下求解多參量退化網(wǎng)絡(luò)評估模型。在求解過程中，關(guān)鍵步驟與方法可以歸納如下。

第一步，預(yù)處理。在數(shù)字電能計量系統(tǒng)中，誤差評估時需要考量的參量退化作用參數(shù)包括以下四個方面：一是環(huán)境溫度，二是環(huán)境濕度，三是電網(wǎng)頻率，四是諧波。在獲取上述數(shù)據(jù)的過程中，采樣頻率會在一定程度上對數(shù)據(jù)量產(chǎn)生影響。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步性，必須對各類數(shù)據(jù)采樣率進行統(tǒng)一處理。除此以外，為了實現(xiàn)變量權(quán)值與量綱的統(tǒng)一，還應(yīng)歸一化處理各類數(shù)據(jù)信息。由于上述參量數(shù)據(jù)中，環(huán)境溫度與環(huán)境濕度不存在突變風險，因此可以直接采用一階線性插值的方式進行環(huán)境溫度、環(huán)境濕度數(shù)據(jù)量的擴充操作。

如：對于環(huán)境溫度參量而言，假定i點下所采樣溫度數(shù)據(jù)為T(i)，假定j點下所采樣溫度數(shù)據(jù)為T( j )，在數(shù)據(jù)量增加值N倍的情況下，數(shù)據(jù)擴充中兩個采樣量的差值序列可以用式（6）進行表示：

在此基礎(chǔ)之上，對各類數(shù)據(jù)進行差分歸一化處理。假定變量序列用{V1，V2，......，Vn，Vn＋1}進行表示，則可將最大變化梯度按照用式（7）進行表示：

經(jīng)差分歸一化處理后，可將差分歸一化退化參量按照式（8）形式表示，其中，將△α定義為經(jīng)差分歸一化處理后退化參量作用量，將B定義為所對應(yīng)差分歸一化退化網(wǎng)絡(luò)。

第二步，求解退化網(wǎng)絡(luò)?？紤]到矩陣B元素具有不可解析的特點，因此無法以常量形式或初等函數(shù)形式對元素加以描述，必須依托于人工智能技術(shù)的方式逼近，并對矩陣B輸入、輸出特性作出科學描述。在本文面向數(shù)字電能計量系統(tǒng)的誤差進行評估的過程中，以差分歸一化退化參量△α作為輸入作用量，以差分歸一化退化參量△ε作為輸出作用量，按照式（8）對矩陣B系數(shù)的逼近與求解進行描述。

3 基于多參量退化評估模型的具體方法

在按照上述步驟評估數(shù)字電能計量系統(tǒng)誤差的過程中，根據(jù)多參量退化評估模型基本流程，誤差評估的具體處理步驟如下：

第一步，對數(shù)據(jù)樣本進行預(yù)處理，預(yù)處理內(nèi)容包括統(tǒng)一采樣率以及差分歸一化兩個方面，以歷史數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)一采樣率處理后所得結(jié)果作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)，同時以歷史數(shù)據(jù)經(jīng)過差分歸一化處理后所得結(jié)果作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出數(shù)據(jù)。

第二步，對退化網(wǎng)絡(luò)進行求解，根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)中所得到的數(shù)據(jù)輸入樣本以及輸出樣本，在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)迭代逼近系數(shù)矩陣作用下驗證均方差結(jié)果可靠性，使均方差低于預(yù)設(shè)值（若所得均方差高于預(yù)設(shè)值，則應(yīng)返回上一步驟繼續(xù)進行求解處理）。

第三步，對數(shù)字電能計量系統(tǒng)誤差進行評估。測量實測值經(jīng)差分歸一化處理后所得退化參量輸入退化網(wǎng)絡(luò)模型中，生成變化量并與退化參量對應(yīng)，根據(jù)退化參量初始值評估系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)可靠性，在此基礎(chǔ)之上依據(jù)前文分析中所得數(shù)字電能計量系統(tǒng)功率誤差下評估約束條件的計算結(jié)果得到具體電能計量誤差結(jié)果。

4 結(jié)束語

綜合本文上述分析，與當前現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備不同，數(shù)字電能計量系統(tǒng)的誤差評估模型與方法存在一定的特殊性。結(jié)合這一特殊性，本文提出了一種基于多參量退化模型的評估方法，更加適用于對數(shù)字電能計量裝置誤差的評估?；谶@一研究成果，望后續(xù)研究人員進一步將大數(shù)據(jù)方法用于模型評估中，對退化模型求解方法進行進一步優(yōu)化，以提高數(shù)字電能計量系統(tǒng)對計量誤差評估的準確性，提高評估的在線性與精確性，為狀態(tài)檢修提供可靠依據(jù)。

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2017-07-20）